Δραστηριότητες του ΕΛΙΝΑ στην πρόβλεψη και αντιμετώπιση του κυκλοφοριακού θορύβου

Transcript

1 Δραστηριότητες του ΕΛΙΝΑ στην πρόβλεψη και αντιμετώπιση του κυκλοφοριακού θορύβου Εισηγητής: Δημήτρης. Σκαρλάτος Αναπληρωτής καθηγητής Παν/μίου Πατρών Μέλος ΔΣ ΕΛΙΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η έρευνα των μελών του ΕΛΙΝΑ σε σχέση με τον κυκλοφοριακό θορύβου που αποτελεί την κυριότερη πηγή περιβαλλοντικού θορύβου επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μοντέλων πρόβλεψης και την σχεδίαση αποτελεσματικών μέτρων αντιμετώπισης του κυκλοφοριακού θορύβου. Στην ομιλία παρουσιάζεται η ανάπτυξη και η εφαρμογή ενός στατιστικού προσεγγιστικού μοντέλου πρόβλεψης με ικανοποιητική προσέγγιση, του κυκλοφοριακού θορύβου, η χρήση του οποίου δεν απαιτεί εξειδικευμένες γνώσεις και ακριβή όργανα. Στην συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα μις προσπάθειας ανάπτυξης νέων τύπων ηχοπετασμάτων με βελτιωμένη απόδοση στην μείωση του κυκλοφοριακού θορύβου. Για την υλοποίηση του στόχου αυτού αναπτύχθηκε αρχικά εύχρηστο λογισμικό εκτίμησης της ηχομείωσης ηχοπετασμάτων με πολύπλοκη γεωμετρία ή ακουστικές ιδιότητες. Παράλληλα υλοποιήθηκε μεθοδολογία μέτρησης της ηχομείωσης (MLS),που δεν επηρεάζεται από τον υφιστάμενο θόρυβο βάθους Με βάση τα παραπάνω μετρήθηκε και αξιολογήθηκε σε μοντέλα βελτιωμένων τύπων ηχοπετασμάτων 1:10 η απόδοσή τους στην μείωση του κυκλοφοριακού θορύβου Το ΕΛΙΝΑ και οι δραστηριότητές του Το Ελληνικό Ινστιτούτο Ακουστικής (ΕΛΙΝΑ) δραστηριοποιείται στον χώρο της ακουστικής και αριθμεί περί τα 100 μέλη σε όλη την Ελλάδα. Το ΕΛΙΝΑ είναι μέλος της Ευρωπαϊκής Ένωσης Ακουστικών Εταιρειών ΕΑΑ (European Acoustics Association) που περιλαμβάνει 29 κράτη μέλη. Οι δραστηριότητες των μελών του ΕΛΙΝΑ σχετικά με την ηχορύπανση συνοψίζονται στην ανάπτυξη μοντέλων πρόβλεψης κυκλοφοριακού θορύβου (Παν/μιο Πατρών) και στην ανάπτυξη νέων τύπων ηχοπετασμάτων καθώς και η υλοποίηση λογισμικού εκτίμησης της ηχομείωσης ηχοπετασμάτων με πολύπλοκη γεωμετρία (ΑΠΘ). 1

2 1. ΠΑΡΑΓΟΝΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΠΡΟΒΛΕΨΗΣ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑΚΟΥ ΘΟΡΥΒΟΥ (Πανεπιστήμιο Πατρών ) Ο θόρυβος κυκλοφορίας έχει μελετηθεί εκτενώς από το Οι περισσότερες μελέτες ως δείκτες περιγραφής του θορύβου χρησιμοποιούν τις ποσότητες L 10, L 50, L max L eq. Στα κοινοτικά προγράμματα SILVIA και HARMONOISE προτείνεται για την περιγραφή του θορύβου η Α σταθμισμένη ισοδύναμη στάθμη θορύβου L Aeq,1h και ο δείκτης L DEN. Το κύριο πρόβλημα με τα διάφορα μοντέλα είναι ότι αυτά είναι βασισμένα σε αναλυτικές εκφράσεις, και η προβλεπόμενη στάθμη είναι βασισμένη σε ποσοτικές μεταβλητές που μερικές φορές μετρούνται με σημαντικό σφάλμα. Ο χρόνος παρατήρησης (συνήθως 1 ώρα) είναι αρκετά μεγάλος αλλά σε μερικές περιπτώσεις οι αποκλίσεις των μεταβλητών από τις μέσες τιμές που χρησιμοποιούνται στα μοντέλα είναι σημαντικές. Τα περισσότερα από τα μοντέλα είναι ακριβή στην πρόβλεψη της στάθμης του θορύβου, αλλά η ακρίβειά τους εξαρτάται από την ακριβή εκτίμηση των μεταβλητών που σχετίζονται με την κυκλοφορία. Η ερώτηση που προκύπτει είναι πόσο χρήσιμη είναι η ακριβής αξία της στάθμης του θορύβου, εάν απλά θέλουμε να χαρακτηρίσουμε μια περιοχή ως θορυβώδη ή όχι. Επιπλέον, δεδομένου ότι οι μεταβλητές που σχετίζονται με την κυκλοφορία μπορούν να ποικίλουν σημαντικά, η ακρίβεια της πρόβλεψης είναι περιορισμένη. Προκειμένου να υπερνικηθούν αυτά τα προβλήματα, χρησιμοποιήσαμε παραγοντική ανάλυση. Η ακρίβεια της πρόβλεψης είναι χαμηλότερη από τα προηγούμενα πρότυπα αλλά η απλότητα στην εκτίμηση των παραμέτρων κυκλοφορίας είναι το μεγάλο πλεονέκτημα του προτεινόμενου μοντέλου. Σαν μεταβλητή πρόβλεψης χρησιμοποιήθηκε η Α σταθμισμένη ισοδύναμη στάθμη θορύβου. Κάθε μεταβλητή μετριέται και ορίζεται σε δύο ή περισσότερα επίπεδα (χαμηλή, μέση, υψηλή κ.λπ.) Η χρήση των μεταβλητών με περιορισμένες στάθμες επιτρέπει στο μοντέλο να περιλάβει και ποιοτικές μεταβλητές που δεν λαμβάνονται υπόψη σε άλλα μοντέλα. 1.1 Παράγοντες που έχουν επιπτώσεις στο θόρυβο κυκλοφορίας Οι σημαντικότεροι παράγοντες που έχουν επιπτώσεις στον κυκλοφοριακό θόρυβο είναι: 1. Το κυκλοφοριακό φορτίο (q): Γίνεται γενικά αποδεκτό στα περισσότερα μοντέλα γενικά ότι για ένα ευρύ φάσμα των κυκλοφοριακών ροών η ισοδύναμη στάθμη L eq είναι λογαριθμική συνάρτηση του κυκλοφοριακού φορτίου (q): Leq = Clog q (1.1) όπου το q είναι το κυκλοφοριακό φορτίο σε οχήματα ανά ώρα και C είναι μια σταθερά. Κατά τον Delany το C ποικίλλει μεταξύ 7,5 και 11,5, για τους διαφορετικούς τύπους ροών, των αστικών όρων και των κλίσεων. Όμως γενικά μια τιμή C = 10 γίνεται αποδεκτή από τους περισσότερους ερευνητές. Για το μοντέλο που παρουσιάζεται εδώ χρησιμοποιήσαμε πέντε επίπεδα για την κυκλοφοριακή ροή. 1: πολύ χαμηλή ροή (μέχρι 300 οχήματα ανά ώρα), 2: χαμηλή ροή 2

3 ( οχήματα ανά ώρα), 3: μέση ροή ( οχήματα ανά ώρα), 4: υψηλή ροή ( οχήματα ανά ώρα) 5: πολύ υψηλή ροή (πάνω από 2400 οχήματα ανά ώρα). 2. Το ποσοστό των βαρέων οχημάτων (p): Το ποσοστό των βαρέων οχημάτων έχει μια σημαντική επίδραση στην παραγόμενη στάθμη θορύβου. Πειραματικά στοιχεία του Lewis έδειξαν ότι τα βαρέα οχήματα (μεγαλύτερα από 1500 kg) παράγουν στάθμη θορύβου 5-10 db μεγαλύτερη από τα ελαφρά. Για το ποσοστό των βαρέων οχημάτων και της στάθμης θορύβου, μια γενική έκφραση που χρησιμοποιείται σε μερικά μοντέλα είναι: 5p L10 = 10 log(1 + ) (1.2) v όπου p είναι το ποσοστό των βαρέων οχημάτων και v είναι η ταχύτητα. Η κατηγορία ελαφρών οχημάτων περιλαμβάνει μικρά αυτοκίνητα και η κατηγορία βαρέων οχημάτων περιλαμβάνει μεγάλα αυτοκίνητα ή θορυβώδη οχήματα πχ λεωφορεία, βαριά φορτηγά κ.λπ.. Το μοντέλο που παρουσιάζεται εδώ χρησιμοποιεί τη σύνθεση κυκλοφορίας ως παράγοντα. Αυτός ο παράγοντας ορίζεται για να έχει τρία επίπεδα. 1: χαμηλό ποσοστό των βαρέων οχημάτων (μέχρι 5%), 2: μέσο (5%-15%) και 3: υψηλό ποσοστό (πάνω από 15%). 3. Η μέση ταχύτητα οχημάτων (v): Κατά τον Anderson η μείωση της στάθμης του θορύβου που προκαλείται από τη μείωση κατά 10 Km/h της ταχύτητας είναι μεταξύ 2,1 και 3,7 db για τα ελαφρά οχήματα και 1,7 έως 2,7 db για τα βαρέα οχήματα. Πολλοί ερευνητές ορίζουν δύο περιοχές ταχύτητας: μία επάνω από 50 Km/h όπου η κυκλοφοριακή ροή είναι ελεύθερη, και μία κάτω από 50 Km/h όπου η πλειοψηφία των οχημάτων δεν ρέει ελεύθερα. Γενικά γίνεται αποδεκτό ότι η παραγωγή θορύβου είναι λογαριθμική συνάρτηση της ταχύτητας. Η σχέση μεταξύ της μέγιστης στάθμης του θορύβου και της ταχύτητας δίνεται από τη σχέση: L= a+ blog v (1.3) όπου το a και το b είναι οι σταθερές, το b έχει κατά προσέγγιση τιμή 35 και για τα ελαφρά και για τα βαρέα οχήματα. Στο μοντέλο που παρουσιάζεται εδώ χρησιμοποιήσαμε έξι επίπεδα για τη ταχύτητα 1: πολύ χαμηλή (μέχρι 25 Km/h) 2: χαμηλή (25-35 Km/h), μέση 3: (35-50 Km/h), 4: υψηλή (50-70 Km/h) 5: πολύ υψηλή ( Km/h), 6:εθνική οδός (πάνω από 100 Km/h). 4. Η κλίση (g): Στους δρόμους με την κλίση ο οδηγός πρέπει να επιταχύνει ή να χρησιμοποιήσει τα φρένα συχνότερα απ' ότι στους ευθείς δρόμους. Οι μετρήσεις Delany βρήκαν μια αύξηση του θορύβου κατά 0,38 db(a) ανά 1 0. Ένας γενικά αποδεκτός τύπος για την επίδραση της κλίσης στο θόρυβο που χρησιμοποιείται στο μοντέλο CRTN είναι: L= a g (1.4) όπου το g είναι η κλίση σε μοίρες και α μια σταθερά με τιμές a = 3 για την κίνηση οχημάτων προς τα πάνω και a = 2 για τα οχήματα που κινούνται προς τα κάτω. Στο μοντέλο που παρουσιάζεται εδώ χρησιμοποιήσαμε τρεις στάθμες για την κλίση του δρόμου.1:μικρή: δρόμοι με μικρή κλίση (0-2%) 2: Μέση: δρόμοι με κλίση <2% 3

4 και κίνηση προς τα κάτω 3: Μεγάλη: δρόμοι με κλίση >2% και κίνηση προς τα επάνω ή και στις δύο κατευθύνσεις. 5. Το έδαφος (r) Η αλληλεπίδραση μεταξύ των ελαστικών αυτοκινήτου και της οδικής επιφάνειας, έχει επιπτώσεις άμεσα στη στάθμη του θορύβου που παράγεται από την κυκλοφορία Ο θόρυβος που διαδίδεται μεταξύ των ελαστικών των αυτοκινήτων είναι μικρότερος στις πορώδεις επιφάνειες απ' ότι στις πυκνές επιφάνειες. Στο μοντέλο που παρουσιάζεται εδώ χρησιμοποιήσαμε δυο στάθμες για την επιφάνεια του οδοστρώματος. 1: ήσυχοι: όλοι οι δρόμοι με μικρό μέγεθος κόκκων (<11mm) 2:κανονικοί: θορυβώδεις δρόμοι ή δρόμοι με μεγάλο μέγεθος κόκκων. 6. Ο αριθμός λωρίδων κυκλοφορίας (l). Η απόσταση του μικροφώνου από τις λωρίδες κυκλοφορίας έχει επίσης μια σημαντική επίδραση στη στάθμη του θορύβου. Αν και στο μοντέλο που παρουσιάζεται εδώ η στάθμη θορύβου αναφέρεται σε μια σταθερή απόσταση από την πλησιέστερη λωρίδα (7,5 m), στους δρόμους με πολλαπλές λωρίδες η επίδραση της απόστασης κάθε λωρίδας από το σημείο παρατήρησης είναι σημαντική. Οι περισσότεροι ερευνητές υποθέτουν ότι κάθε λωρίδα είναι μια γραμμική πηγή και για την επίδραση της απόστασης χρησιμοποιούν την διόρθωση: Δ L = 10log d (1.5) d0 όπου το d είναι η απόσταση κάθε λωρίδας από το σημείο παρατήρησης και το d 0 η απόσταση αναφοράς (7,5 m). Στο μοντέλο που παρουσιάζεται εδώ χρησιμοποιήσαμε δυο στάθμες για τον αριθμό των λωρίδων κυκλοφορίας. 1: μικρός μέχρι τρεις λωρίδες 2: μεγάλος πάνω από τρεις λωρίδες. 7. Τα περιβάλλοντα κτήρια (b). Η επίδραση μιας πρόσοψης ενός κτηρίου πίσω από το σημείο υποδοχής θα αυξήσει το επίπεδο θορύβου. Σύμφωνα με τον Delany, μέτρηση σε απόσταση 1m από ένα συνεχές τούβλο δείχνει μια αύξηση 2.3 db (A) στη μετρούμενη στάθμη. Στο μοντέλο που παρουσιάζεται εδώ χρησιμοποιήσαμε δυο στάθμες για την παρουσία κτηρίων. 1: Ανοικτή περιοχή ή περιοχή με κτήρια σε απόσταση >10 m από το σημείο παρατήρησης 2: Περιοχή με κτήρια σε απόσταση <10 m από το σημείο παρατήρησης. 1.2 Μετρήσεις θορύβου Το πείραμα πραγματοποιήθηκε στην Πάτρα. Για τη συλλογή των μετρήσεων επιλέχτηκαν 20 σημεία στην πόλη, και 5 σημεία στις εθνικές οδούς, που καλύπτουν όλες τις πιθανές τιμές των παραγόντων. Η ποσότητα μέτρησης ήταν η 1 ωριαία Α σταθμισμένη ισοδύναμη στάθμη. Το ηχόμετρο τοποθετήθηκε 7.5 μ μακριά από την πλησιέστερη λωρίδα και τουλάχιστον 6m από οποιαδήποτε ανακλαστική επιφάνεια. Το ηχόμετρο ήταν σε ένα ύψος 1,2 μέτρων επάνω από το έδαφος. Η κατηγορία ταχύτητας οχημάτων υπολογίστηκε με την καταγραφή του χρόνου των οχημάτων που περνούν πέρα από μια γνωστή απόσταση (20 μέτρα). Για την ανάλυση των δεδομένων χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό B&K Όλες οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν χωρίς βροχή με μέγιστο αέρα στα 3 m/s. 4

5 1.3 Το παραγοντικό μοντέλο Για την περιγραφή του κυκλοφοριακού θορύβου χρησιμοποιήθηκαν επτά παράγοντες: η πυκνότητα κυκλοφοριακής ροής (q), το ποσοστό των βαρέων οχημάτων (p), η ταχύτητα των οχημάτων, (v) η κλίση του δρόμου (g), η επιφάνεια του οδοστρώματος (r), ο αριθμός των λωρίδων κυκλοφορίας (l) και η παρουσία κτηρίων (b). Κάθε παράγοντας ορίστηκε να έχει από δύο έως έξι στάθμες όπως περιγράφονται παραπάνω. Το παραγοντικό μοντέλο μπορεί να εκφραστεί με την μορφή: yijlmp = μ + qi + p j + vl + gm + rn + lq + br + ( qp) ij + ( qv) il +... (1.6) + ( qpv) ( qpvg) +... e ijl ijlm ijklmp όπου το μ είναι η επίδραση γενικού μέσου όρου, q είναι η επίδραση από το i th επίπεδο ροής, i p είναι η κύρια επίδραση από το j th επίπεδο ποσοστού των βαρέων οχημάτων, j ( qp ) ij είναι η αλληλεπίδραση μεταξύ της ροής και του ποσοστού, ( qv ) il είναι η αλληλεπίδραση μεταξύ της ροής και της ταχύτητας e είναι το τυχαίο λάθος. ijlmpqr 1.4. Ακρίβεια του μοντέλου Η ταξινόμηση των συνεχών μεταβλητών σε έναν περιορισμένο αριθμό επιπέδων εισάγει πρόσθετα λάθη στην πρόβλεψη. Υποθέτουμε ότι το λάθος κατανέμεται ομοιόμορφα στο διάστημα - Δx/2 έως Δx/2, όπου το Δx είναι το εύρος του σφάλματος. Το μέσο σφάλμα για κάθε παράγοντα είναι μηδέν και το μέσο τετραγωνικό σφάλμα είναι: 1 ( Δ x) Το συνολικά σφάλμα λόγω της κατηγοριοποίησης των μεταβλητών είναι: Δ L =Δ L +Δ L +Δ L +Δ L +Δ L +Δ L +Δ L (1.7) max,tot q p s g r l b Τα επιμέρους σφάλματα υπολογίζονται ως εξής. Υποθέτουμε ότι η επίδραση του κυκλοφοριακού φορτίου περιγράφεται από την εξίσωση (1.1). Λόγω του ότι σε κάθε στάθμη η μεγαλύτερη τιμή είναι διπλάσια από την μικρότερη, το εύρος των τιμών της ηχητικής στάθμης θα είναι 3 db, που αντιστοιχεί σε μέγιστη απόκλιση από την κεντρική τιμή: Δ L x q = Δ = 1.5dB. 2 Το ποσοστό των βαρέων οχημάτων σε κάθε κατηγορία θα εισαγάγει ένα λάθος v+ 5pmax Δ L = 10log v+ 5p min όπου p max και p min είναι το μέγιστο και ελάχιστο ποσοστό των βαρέων οχημάτων μέσα στην ίδια κατηγορία. Για ελάχιστη ταχύτητα 20 Km/h και μέγιστο ποσοστό βαρέων οχημάτων 35%, το εύρος των ηχητικών σταθμών στην ίδια κλάση θα είναι 3.5 db και η μέγιστη απόκλιση από τη μέση τιμή θα είναι L 1.75dB Δ =. p 5

6 Ομοίως υπολογίζουμε και τα άλλα λάθη κι έτσι αθροίζοντας όλα τα προαναφερθέντα λάθη, το συνολικό μέγιστο λάθος θεωρητικά υπολογίζεται στα Δ Lmax, = 11dB Αυτό το λάθος που υπολογίζεται θεωρητικά πέρα από τους υπάρχοντες αναλυτικούς τύπους αντιστοιχεί στην πιο ακραία περίπτωση όπου όλοι οι παράγοντες είναι ταυτόχρονα στο ανώτερο ή χαμηλότερο όριο της αντίστοιχης κατηγορίας Αποτελέσματα tot Στις μετρήσεις εφαρμόστηκε ένα γραμμικό μοντέλο (GLM). Στο μοντέλο συμπεριλήφθηκαν μόνο οι κύριες επιδράσεις και οι αλληλεπιδράσεις πρώτης τάξης, διότι οι αλληλεπιδράσεις υψηλότερης τάξης δεν έχουν σημαντική επίδραση στην απόκριση (βλ σχήμα1.1). Speed(v) Flow(q) Road (r) Percent (p) Gradient(g) Lanes(l) Building(b) p * v v * g q * g p * g v * l q * v Effect size estimaton Partial Eta Squared Σχήμα 1.1 Διάγραμμα Pareto που δείχνει την σημαντικότητα των παραμέτρων Το διάγραμμα του pareto στο σχήμα 5.1 παρουσιάζει το μέγεθος της επίδρασης κάθε παράγοντα (όπως προκύπτει από τις τιμές του partial eta squared) κατά φθίνουσα τάξη. Όπως προκύπτει από το διάγραμμα η ταχύτητα οχημάτων και η κυκλοφοριακή ροή έχουν τη σημαντικότερη επίδραση στη στάθμη του θορύβου. Estimated Marginal Means of Level Estimated Marginal Means of Level Estimated Marginal Means of Level Estimated Marginal Means (dba) Estimated Marginal Means (dba) Estimated Marginal Means (dba) Traffic Flow Percentage Speed Estimated Marginal Means of Level Estimated Marginal Means of Level Estimated Marginal Means of Level Estimated Marginal Means (dba) Estimated Marginal Means (dba) Estimated Marginal Means (dba) Gradient Σχήμα 1.2 Κύριες επιδράσεις Road Lanes Το σχήμα 1.2 δίδει τις κύριες επιδράσεις των παραγόντων. Ο πίνακας 1.1 δίνει το εύρος των κυρίων επιδράσεων ανά στάθμη. Όπως προκύπτει από τον πίνακα το μέγιστο μετρηθέν σφάλμα είναι 7.32 db(a). 6

7 Σταθμες Πίνακας 1.1 Σφάλματα μοντέλου Παράγοντες (q) (p) (v) (g) (r) (l) (b) Μοντέλο κυκλοφοριακού θορύβου. Κρατώντας μόνο τους πιο σημαντικούς όρους οι συντελεστές παλινδρόμησης δίνονται στην εξίσωση, L, = q p+ 3.71v+ 0.87g+ 2.28r+ 1.50l+ 0.86b (1.8) Aeq Το διάγραμμα 1.3 συγκρίνει τις τιμές που προβλέπονται από το μοντέλο με τις μετρήσεις Predicted R Sq Linear = Measured Σχήμα 1.3 Σύγκριση θεωρητικών δεδομένων με τις μετρήσεις 1.7 Συμπεράσματα Η παραγοντική ανάλυση έχει χρησιμοποιηθεί για την κατάρτιση ενός νέου απλουστευμένου μοντέλου της πρόβλεψης του κυκλοφοριακού θορύβου. Όλοι οι παράγοντες είναι σε δυο ή περισσότερα επίπεδα και αυτό απλοποιεί το μοντέλο 7

8 σημαντικά. Η ανάλυση της διασποράς (ANOVA) έδειξε ότι η σημαντικότερη επίδραση στην στάθμη του θορύβου L eq, έχει η ταχύτητα και η κυκλοφοριακή ροή. Η εξίσωση παλινδρόμησης που προτείνεται από το μοντέλο είναι δυνατή, με έναν εύκολο τρόπο να βρεθεί ο θόρυβος μιας δεδομένης περιοχής δίδοντας απλά το χαρακτηρισμό υψηλό - μέσο - χαμηλό για τις παραμέτρους που χρησιμοποιήσαμε. Τα βασικά πλεονεκτήματα του μοντέλου είναι: 1. Το μοντέλο δεν χρειάζεται ακριβή όργανα ή ειδικούς, δεδομένου ότι απαιτείται μια κατά προσέγγιση εκτίμηση των παραμέτρων κυκλοφορίας. 2. Η εκτιμώμενη στάθμη του θορύβου είναι λιγότερο ευαίσθητη στις μικρές αλλαγές των παραμέτρων κυκλοφορίας. Η μειωμένη ακρίβεια είναι το κύριο μειονέκτημα του προτύπου αυτού. 2. ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙΟΝΟΤΟΜΩΝ ΗΧΟΠΕΤΑΣΜΑΤΩΝ ΜΕ ΒΕΛΤΙΩΜΕΝΗ ΑΠΟΔΟΣΗ ΣΤΗ ΜΕΙΩΣΗ ΤΟΥ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑΚΟΥ ΘΟΡΥΒΟΥ (Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης) Αντικείμενο της έρευνας αυτής είναι η ανάπτυξη μιας αξιόπιστης και εύχρηστης μεθοδολογίας μέτρησης και αξιολόγησης της απόδοσης ηχοπετασμάτων καθώς και η χρήση της μεθοδολογίας αυτής στο σχεδιασμό και υλοποίηση καινοτόμων ηχοπετασμάτων με βελτιωμένη απόδοση στην μείωση του κυκλοφοριακού θορύβου. Για το σκοπό αυτό το έργο περιλαμβάνει εφαρμοσμένη θεωρητική και πειραματική έρευνα. Βασίζεται στον συνδυασμό ανάπτυξης τεχνικών υπολογισμού της περίθλασης ηχητικών κυμάτων από εμπόδια πολύπλοκης γεωμετρίας και κατάλληλων, αξιόπιστων μεθόδων μέτρησης και αξιολόγησης της ηχομείωσης ηχοπετασμάτων. Για τον υπολογισμό της απόδοσης των ηχοπετασμάτων, αναπτύχθηκε λογισμικό βασισμένο στη μέθοδο ΒΕΜ (Boundary Elements Method) για πολύπλοκη γεωμετρία ακμής και διαφορετικές ακουστικές συνθήκες στην ακμή. Παράλληλα, εφαρμόζοντας την τεχνική των ακολουθιών μέγιστου μήκους (MLS) μετρήθηκε ο συντελεστής απορρόφησης υλικών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην κατασκευή ηχοπετασμάτων. Επίσης, με τη χρήση MLS μετρήθηκε το IL (insertion loss) σε πρότυπα ηχοπετάσματα στο εργαστήριο και αξιολογήθηκε η βελτίωση του συντελεστή ηχομείωσης σε σύγκριση με συμβατικά ηχοπετάσματα Ανάπτυξη Λογισμικού Για τον υπολογισμό της απόδοσης των ηχοπετασμάτων, αναπτύχθηκε μια υπολογιστική τεχνική σε περιβάλλον MATLAB με στόχο την μελέτη του προβλήματος ακουστικής κυματικής διάδοσης σε ημιάπειρο ανοιχτό χωρίο παρουσία ηχοπετάσματος. Οι βασικές υποθέσεις με βάση τις οποίες αναπτύχθηκε η υπολογιστική τεχνική είναι οι παρακάτω: Η ακουστική πηγή θεωρείται αρμονική και γραμμικής διάταξης, τοποθετημένη παράλληλα προς την επιφάνεια του ηχοπετάσματος. 8

9 Η διαχωριστική επιφάνεια του ημιάπειρου χώρου υπολογισμού θεωρείται άκαμπτη (ομογενής συνθήκη Neumann για το πεδίο πίεσης). Το ηχοπέτασμα μπορεί να θεωρηθεί είτε άκαμπτο είτε εύκαμπτο ((ομογενής συνθήκη Dirichlet για το πεδίο πίεσης). Πηγή Ηχοπέτασμα Αέρας Γή Σχ Συμβατικό ηχοπέτασμα. Με τις παραπάνω παραδοχές, το πρόβλημα διατυπώνεται με την δισδιάσταση ολοκληρωτική εξίσωση ως προς το βαθμωτό πεδίο της ακουστικής πίεσης i Grr (, ') pr (') p() r = p () r + [ p(') r G(, r r') ] dl' C n' n' i όπου p() r, p () r είναι η συνολικό και η προσπίπτον πεδίο ακουστικής πίεσης αντίστοιχα και Grr (, ') είναι η συνάρτηση Green στον δισδιάστατο ελεύθερο χώρο, j (2) Grr (, ') = H0 ( k r r' ) 4 Η αριθμητική επίλυση του προβλήματος βασίζεται στην εφαρμογή της μεθόδου των ροπών (method of moments). Σύμφωνα με τη μέθοδο, η διαχωριστική επιφάνεια γήςαέρα καθώς και η επιφάνεια του ηχοπετάσματος διακριτοποιούνται με γραμμικά στοιχεία. Αρχικά, υπολογίζονται οι ισοδύναμες ακουστικής πηγής σε κάθε διακριτό στοιχείο και στη συνέχεια με εφαρμογή της ολοκληρωτικής εξίσωσης επιτυγχάνεται ο υπολογισμός της ακουστικής πίεσης σε οποιοδήποτε σημείο του χωρίου υπολογισμού. Στο Σχ. 2.2 παρουσιάζεται η διάταξη για την μέτρηση του συντελεστή IL, χρησιμοποιώντας το σύστημα MLSSA. Στο Σχ. 2.3 φαίνεται η σύγκριση μεταξύ του υπολογισμού και της μέτρησης του συντελεστή IL για το ηχοπέτασμα του Σχ

10 προσπίπτον Ηχοπέτασμα περιθλώμενο Ηχείο Μικρόφωνο διαδιδόμενο Σχ Διάταξη για την μέτρηση του συντελεστή IL συμβατικού ηχοπετάσματος. 22 Μέτρηση Προσομοίωση IL [db] Συχνότητα [khz] Σχ Σύγκριση μεταξύ υπολογισμού και μέτρησης IL Βασικές αρχές του MLSSA Το MLSSA είναι ένα σύστημα ακουστικών μετρήσεων βασισμένο στις ακολουθίες μέγιστου μήκους (MLS). Το MLSSA είναι ικανό να μετρήσει και να αναλύσει πολλούς τύπους γραμμικών συστημάτων, αλλά οι κυριότερες εφαρμογές του είναι στην περιοχή των ακουστικών μετρήσεων. Ειδικότερα, τα πλεονεκτήματα του MLSSA αναδεικνύονται, ακόμα περισσότερο έναντι των άλλων μεθόδων, στις μετρήσεις για τον χαρακτηρισμό τις επίδοσης ηχοπετασμάτων. Το MLSSA είναι αναλυτής ενός καναλιού, που μπορεί να φέρει εις πέρας μετρήσεις που γίνονται με αναλυτές δύο καναλιών. Το αποτέλεσμα είναι ο διπλασιασμός του εύρους ζώνης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σημαντική μείωση του κόστους εφαρμογής. Οι συμβατικοί αναλυτές φάσματος (FFT analyzers), χρειάζονται δύο κανάλια για να μετρήσουν την συνάρτηση μεταφοράς του συστήματος, εφαρμόζοντας λευκό θόρυβο για διέγερση. Το ένα κανάλι δειγματοληπτεί το θόρυβο στην είσοδο ενώ 10

11 το άλλο δειγματοληπτεί το θόρυβο στην έξοδο του συστήματος. Η συνάρτηση μεταφοράς υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την φασματική ετεροσυσχέτιση (crossspectra) ή παρόμοιες μεθόδους επεξεργασίας σημάτων. Η τεχνική των δύο καναλιών μπορεί μόνο να προσεγγίσει την συνάρτηση μεταφοράς εξαιτίας της τυχαίας φύσης του λευκού θορύβου αλλά και λόγω του παραθύρου (windowing) που απαιτείται για την μείωση της φασματικής διαρροής (spectral leakage). Αντιθέτως, το MLSSA χρησιμοποιεί ένα ειδικό τύπο δοκιμαστικού σήματος που ονομάζεται MLS, αντί της συμβατικής διέγερσης με σήμα λευκού θορύβου. Σε αντίθεση με τον λευκό θόρυβο, οι ακολουθίες μέγιστου μήκους είναι ντετερμινιστικές και περιοδικές αλλά ταυτόχρονα διατηρούν τα περισσότερα από τα επιθυμητά χαρακτηριστικά του λευκού θορύβου. Η ντετερμινιστική φύση του MLS έχει ως αποτέλεσμα ότι το σήμα μπορεί να προϋπολογιστεί και δεν χρειάζεται να μετρείται ταυτόχρονα με την απόκριση του συστήματος. Η περιοδική φύση του MLS σήματος έχει ως αποτέλεσμα ότι μία κυκλική ετεροσυσχέτιση (circular cross-correlation) στο πεδίο του χρόνου είναι ικανή να αποκαλύψει την πλήρη ωστική απόκριση (impulse response) του συστήματος. Έτσι, δεν απαιτείται η χρήση παραθύρων για τα δεδομένα. Το αποτέλεσμα είναι μηδενικό παραθυρικό σφάλμα (windowing error) με την προϋπόθεση ότι όλη η περίοδος της ακολουθίας χρησιμοποιείται, κάτι το οποίο το MLSSA κάνει αυτόματα. Η τεχνική MLS μετράει την ωστική απόκριση, η οποία είναι το πιο σημαντική χαρακτηριστικό ενός γραμμικού συστήματος. Από την αριθμητική επεξεργασία της ωστικής απόκρισης μπορούν να εξαχθούν και άλλες σημαντικές πληροφορίες για το σύστημα. Για παράδειγμα, η συνάρτηση μεταφοράς ενός συστήματος βρίσκεται εάν εφαρμόσουμε το γρήγορο μετασχηματισμό Fourier (FFT) σε ένα τμήμα της ωστικής απόκρισης. Από την συνάρτηση μεταφοράς το MLSSA υπολογίζει την απόκριση συχνότητας, απόκριση φάσης, καθυστέρηση ομάδας (group delay), και άλλα χαρακτηριστικά. Ένα σήμα MLS m(t) διεγείρει ένα ακουστικό γραμμικό, χρονικά αμετάβλητο (LTI) σύστημα, Σχ Η ωστική απόκριση του συστήματος h(t) υπολογίζεται από το καταγεγραμμένο σήμα s(t) στην έξοδο του συστήματος, εφαρμόζοντας το γρήγορο μετασχηματισμό Hadamard (FHT). Μετέπειτα εφαρμόζεται ένας FFT για τον υπολογισμό της μιγαδικής συνάρτησης μεταφοράς h(f) του LTI συστήματος. Ζωνοδιαβατά φίλτρα και αλγόριθμοι ολοκλήρωσης οδηγούν στον υπολογισμό της ολικής ενέργειας, χρόνων αντήχησης, απωλειών μετάδοσης, κλπ. Μια κοινή παρανόηση είναι ότι οι μέθοδοι MLS και κατ επέκταση το MLSSA βασίζονται στο FFT. Σε ένα αναλυτή FFT η επεξεργασία σήματος, για τον υπολογισμό της συνάρτησης μεταφοράς, γίνεται στο πεδίο της συχνότητας. Αυτό απαιτεί πολλαπλούς μετασχηματισμούς Fourier να εφαρμοστούν σε χρονικά τμήματα των δεδομένων που έχουν μετρηθεί. Επιπλέον κάθε τμήμα πολλαπλασιάζεται με το κατάλληλο χρονικό παράθυρο για την μείωση σφαλμάτων φασματικής διαρροής. Από τα πολλαπλά χρονικά τμήματα υπολογίζεται το μέσο φάσμα FFT και η συνάρτηση μεταφοράς. Η ωστική απόκριση υπολογίζεται εφαρμόζοντας τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier. Το ίδιο ισχύει και για του αναλυτές TDS (time-delay spectrometry) που μετρούν την συνάρτηση μεταφοράς στο πεδίο της συχνότητας. 11

12 Delay curve Band filter m(t) LTI system s(t) FHT h(t) FFT Spectrum Σχ Διάγραμμα βαθμίδων του συστήματος μέτρησης MLSSA. Το MLSSA ακολουθεί την αντίθετη προσέγγιση σε σχέση με ένα αναλυτή FFT. Το MLSSA χρησιμοποιεί την ετεροσυσχέτιση για να υπολογίσει την ωστική απόκριση απευθείας στο πεδίου του χρόνου, χωρίς την χρήση FFT ή αντίστροφων FFT. Το ότι το MLSSA εφαρμόζει FFT στη μετρούμενη ωστική απόκριση για υπολογίσει την συνάρτηση μεταφοράς, δεν το κάνει αναλυτή FFT με τα γνωστά μειονεκτήματα. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα είναι η ικανότητα του MLSSA να κάνει ευρυζωνικές, μεγάλης διάρκειας μετρήσεις για την ωστική απόκριση. Οι συμβατικοί αναλυτές FFT δύο καναλιών, αλλά και οι αναλυτές TDS, δεν μπορούν να επιτύχουν την διακριτική ικανότητα του MLSSA. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ότι η διακριτική ικανότητα στη συχνότητα είναι αντιστρόφως ανάλογη του εύρους συχνότητας της μέτρησης με FFT, δηλαδή f=1/τ Hz. Όπου, Τ είναι η διάρκεια της μετρούμενης ωστικής απόκρισης. Αντιθέτως, το MLSSA είναι ικανό να κάνει ευρυζωνικές μετρήσεις συνάρτησης μεταφοράς (20 khz) με πραγματική φασματική διακριτική ικανότητα 1 Hz, ή και μικρότερου εύρους ζώνης (1 khz) με διακριτική ικανότητα Ηz. Το σήμα MLS έχει σχεδόν επίπεδο φάσμα ισχύος και ακολουθεί τετραγωνικό six(x)/x νόμο. Στο 1/3 της συχνότητας δειγματοληψίας η φασματική απόκριση μειώνεται κατά 1.3dB. Το σήμα MLS δεν περιέχει συνεχείς συνιστώσες. Χρησιμοποιώντας την τεχνική MLS, οι μετρήσεις με το MLSSA έχουν πολύ μεγάλο λόγο σήματος προς θόρυβο (S/N). Η ετεροσυσχέτιση που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της ωστικής απόκρισης ελαττώνει τον θόρυβο του περιβάλλοντος (ασυσχέτιστος στο MLS), έτσι ώστε οι μετρήσεις να μπορούν να γίνονται και σε θορυβώδη περιβάλλοντα. Αν εφαρμοστούν μέθοδοι μέσης τιμής ο λόγος S/Ν είναι δυνατόν να αυξηθεί και άλλο. Αυτό οφείλεται στην ντετερμινιστική φύση του σήματος και επιτρέπει τον σύγχρονο υπολογισμό της μέσης τιμής (synchronous averaging) σήματος από την μία περίοδο στην επόμενη. Έτσι, με κάθε διπλασιασμό στο αριθμό των περιόδων που λαμβάνονται ο περιβαλλοντολογικός θόρυβος μειώνεται κατά 3dB. Οι επαναλαμβανόμενες περίοδοι του δοκιμαστικού σήματος είναι ίδιες και προστίθενται συμφασικά, ενώ ο θόρυβος του περιβάλλοντος δεν είναι συσχετισμένος μεταξύ των 12

13 διαφορετικών περιόδων και προστίθεται μόνο η ενέργεια του. Οι διαδικασίες μέσης τιμής είναι γενικά ένα πλεονέκτημα των ντετερμινιστικών σημάτων. Το κέρδος στο λόγο S/N είναι Δ av =10Log(N), όπου Ν είναι ο αριθμός των περιόδων του σήματος MLS Υλοποίηση του MLSSA για την μέτρηση του συντελεστή απορρόφησης Μία βασική εφαρμογή είναι η μέτρηση του συντελεστή απορρόφησης α( f, ϑ ) ενός υλικού. Ο συντελεστής απορρόφησης είναι ο λόγος της απορροφημένης (και πιθανόν μεταδιδόμενης εντός του υλικού) ενέργειας, προς την προσπίπτουσα ενέργεια στην επιφάνεια του υλικού. Για μετρήσεις in situ, ο καλύτερο τρόπος υπολογισμού του συντελεστή απορρόφησης γίνεται μέσω του συντελεστή ανάκλασης R( f, ϑ ), δηλαδή υπολογίζοντας τον συντελεστή ανάκλασης R( f, ϑ ) από μέτρηση των ακουστικών πιέσεων του προσπίπτοντος και ανακλώμενου ακουστικού κύματος. Οπότε, ο συντελεστής απορρόφησης δίνεται από την σχέση α( f, ϑ) = 1 R( f, ϑ) 2 (2.1) και εξαρτάται από την συχνότητα f και γωνία πρόσπτωσης ϑ του κύματος. Το διάγραμμα βαθμίδων για τον υπολογισμό χρησιμοποιώντας το MLSSA, φαίνεται στο Σχ MLSSA system Ηχείο Απορροφητικό υλικό Μικρόφωνο Σχ. 2.5 Διάγραμμα βαθμίδων για τον υπολογισμό του συντελεστή απορρόφησης. Σε εργαστηριακές συνθήκες η διάταξη μέτρησης απεικονίζεται στην Εικ Το MLSSA τροφοδοτεί το ηχείο με το κατάλληλο σήμα MLS, δημιουργώντας το κατάλληλο ηχητικό κύμα. Στη συνέχεια το κύμα προσπίπτει στην επιφάνεια του ηχοαπορροφητικού υαλοβάμβακα πάχους 50mm, και ένα μέρος της ενεργείας του ανακλάται από αυτόν. 13

14 Εικ. 2.1 Υλοποίηση της μετρητικής διάταξης MLSSA σε εργαστηριακές συνθήκες. Το ανακλώμενο σήμα λαμβάνεται από το μικρόφωνο αναφοράς και οδηγείται στην είσοδο του MLSSA για ψηφιακή επεξεργασία και υπολογισμό της ωστικής απόκρισης του απορροφητικού υλικού, Σχ Σχ. 2.6 Ωστική απόκριση προσπίπτοντος κύματος (επιλεγμένη περιοχή) και ανακλώμενου. Η πρώτη κορυφή είναι η ωστική απόκριση της συνιστώσας του προσπίπτοντος κύματος και η δεύτερη μικρότερη κορυφή είναι η απόκριση του ανακλώμενου κύματος. Κατόπιν εφαρμόζεται FFT στις ωστικές αποκρίσεις ξεχωριστά, για τον υπολογισμό των συναρτήσεων μεταφοράς, Σχ

15 -20 Incident Reflected -30 Impulse Response FFT [db] Frequency [Hz] Σχ. 2.7 FFT των ωστικών αποκρίσεων προσπίπτοντος και ανακλώμενου κύματος. Για σταθερή κάθετη πρόσπτωση, ο συντελεστής απορρόφησης είναι α ( f ) = 1 Hr ( f) H ( f) i 2 (2) Στο Σχ. 2.8 φαίνεται ο συντελεστής απορρόφησης για υαλοβάμβακα πάχους 50mm. 1.0 absorption Glasswool 50mm a(f) Frequency [Hz] Σχ. 2.8 Συντελεστής απορρόφησης για υαλοβάμβακα πάχους 50mm Μετρήσεις σε νέους τύπους ηχοπετασμάτων Με χρήση της διάταξης MLSSA μετρήθηκε στο εργαστήριο ο δείκτης ηχομείωσης (IL) πρότυπων ηχοπετασμάτων με τροποποιημένη ακμή. Ο δείκτης τους συγκρίθηκε με το IL του συμβατικού ηχοπετάσματος του Σχ. 2.9 και υπολογίστηκε η βελτίωση που εισάγει το κάθε πρότυπο ηχοπέτσμα έναντι του συμβατικού. Στα Σχήματα 2.9 έως

16 φαίνονται η πειραματική διάταξη μέτρησης και η βελτίωση για τέσσερα πρότυπα ηχοπετάσματα, αντίστοιχα πετροβάμβακας 30 Ηχείο Ηχοπέτασμα Βελτίωση [db] Μικρόφωνο Συχνότητα [khz] Σχ. 2.9 Ηχοπέτασμα με ακμή από τροποποιημένη ακμή από πετροβάμβακα (Τύπος Α) ξύλο 30 Ηχείο Ηχοπέτασμα Βελτίωση [db] Μικρόφωνο Συχνότητα [khz] Σχ Ηχοπέτασμα με ακμή από τροποποιημένη ακμή από ξύλο (Τύπος Β). 16

17 40 35 Ηχείο rikofon ξύλο Ηχοπέτασμα Μικρόφωνο Additional Βελτίωση [db] IL [db] Frequency Συχνότητα [khz] [khz] Σχ Ηχοπέτασμα με ακμή από τροποποιημένη ακμή από ξύλο και rikofon (Τύπος Γ) Ηχείο rikofon Ηχοπέτασμα Μικρόφωνο Βελτίωση [db] Additional IL [db] Frequency Συχνότητα [khz] [db] Σχ Ηχοπέτασμα με ακμή από τροποποιημένη ακμή από rikofon (Τύπος Δ). Από τα παραπάνω σχήματα προκύπτει ότι το ηχοπέτασμα Τύπου Α βελτιώνει σημαντικά την ηχομείωση στις μεσαίες συχνότητες, ενώ το ηχοπέτασμα Τύπου Β δίνει ικανοποιητική βελτίωση σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων. Παρόμοια είναι και η συμπεριφορά του ηχοπετάσματος Τύπου Δ. Το ηχοπέτασμα Τύπου Γ, τέλος, παρουσιάζει ικανοποιητική βελτίωση ηχομείωσης σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων και ταυτόχρονα με μικρή διακύμανση τιμών. Στον Πίνακα 2.1 εμφανίζονται συγκεντρωτικά οι μέσες τιμές και διασπορές της βελτίωσης σε όλο το εύρος των συχνοτήτων και για κάθε τύπο ηχοπετάσματος. 17

18 Πίνακας 2.1 Τύπος Περιγραφή Ηχομείωση (μ.τ.) [db] σ [db] Α Πετροβάμβακας Μέγιστη ηχομείωση &σ Β Ricofon Σημαντική βελτίωση Γ Ξύλο -ricofon Δ Ξυλο Παρόμοια Συμπεριφορά 18